田周松
(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)
弧形大懸臂整體橋墩的受力分析
田周松
(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)
介紹了一種弧形大懸臂整體橋墩,其不僅可以為上部預(yù)制結(jié)構(gòu)提供支撐,也為地面輔道提供了較大的通行空間,且造型美觀。通過桿系模型和實體模型的對比分析,得出了此類橋墩的設(shè)計簡化計算方法。計算結(jié)果表明,通過合理的設(shè)計計算,此類橋墩的受力能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。
大懸臂;橋墩;蓋梁;簡化計算
在城市橋梁建設(shè)中,為了加快工程建設(shè)進(jìn)度,縮短施工周期,上部結(jié)構(gòu)往往選擇預(yù)制結(jié)構(gòu)。同時為了提供更多的通行空間,橋下一般設(shè)有地面輔道,需要較大的通行寬度。城市橋梁除了交通功能以外,還是城市的一道風(fēng)景線,因此城市橋梁還具有很高的景觀要求。大懸臂整體橋墩能有效滿足上述需要,大懸臂蓋梁既能為上部預(yù)制梁體提供支撐,同時也為橋下地面輔道提供通行空間,墩柱和蓋梁之間的空間弧線整體過渡造型優(yōu)美[1-3]。
圖1為某高架的標(biāo)準(zhǔn)橋墩,圖2為其施工中的實景照片。蓋梁頂寬2.4 m,蓋梁中心梁高2.5 m,蓋梁根部梁高約2.85 m,蓋梁凈挑臂長達(dá)10.3m。墩身由兩根立柱和系梁組成,單根立柱橫橋向尺寸為2 m,縱橋向尺寸為1.8 m;系梁中心高為1.2 m,系梁寬1.0 m。墩身和蓋梁之間在縱橋向和橫橋向采用圓弧過渡。橋墩外側(cè)從立柱底到蓋梁頂留有落水管槽口,頂口尺寸為0.26 m,底口尺寸為0.22 m,槽深為0.22 m。
立柱和系梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),大懸臂蓋梁采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力鋼束采用φs15.20高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk= 1 860 MPa,彈性模量Ep=1.95×105MPa。張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。鋼束立面布置如圖3所示,共布置三層鋼束,每層6束,N1、N2鋼束采用15-13,N3鋼束采用15-14。N1、N3在蓋梁混凝土齡期達(dá)到要求后上部結(jié)構(gòu)架設(shè)前張拉,N2在上部結(jié)構(gòu)架設(shè)后張拉。
圖1 弧形大懸臂整體橋墩構(gòu)造(單位:mm)
圖2 弧形大懸臂整體橋墩現(xiàn)場照片
圖3 弧形大懸臂蓋梁鋼束布置(單位:mm)
整體橋墩的蓋梁按預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計,立柱按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計。由于鋼筋混凝土立柱的設(shè)計計算為常規(guī)問題,因此本文主要討論此類整體橋墩預(yù)應(yīng)力蓋梁的受力驗算問題。首先采用桿系模型進(jìn)行簡化計算,然后采用實體模型對關(guān)鍵工況進(jìn)行對比分析,以驗證桿系簡化模型的合理性和可靠性。
2.1桿系模型分析
桿系分析時,對本文的大懸臂整體橋墩作如下簡化:橫橋向以立柱外側(cè)位置作為蓋梁的支撐點,支撐點至挑臂端部為蓋梁的計算挑臂長,蓋梁截面不考慮支撐點附近局部倒角;立柱頂部中心線按曲線建模,截面按曲線延伸取值。本文采用橋梁博士V3.3.0建立桿系計算模型(見圖4),共58個梁單元。
圖4 桿系計算模型
經(jīng)驗算,蓋梁受力滿足設(shè)計規(guī)范要求,限于篇幅,本文不詳述。
2.2實體模型分析
本文采用ANSYS建立三維實體單元模型(見圖5)。混凝土實體采用solid92單元模擬;預(yù)應(yīng)力鋼束采用link8單元模擬(見圖6),預(yù)應(yīng)力與實體之間采用耦合連接,永存預(yù)應(yīng)力荷載采用降溫模擬。共103 538個節(jié)點,68142個solid92單元,1 098個link8單元。上部小箱梁荷載通過支座墊塊施加。
圖5 實體有限元模型
圖6 預(yù)應(yīng)力單元
為了方便與桿系簡化模型進(jìn)行比較,選擇受力明確的成橋恒載工況進(jìn)行對比分析。蓋梁成橋恒載作用下,水平向正應(yīng)力如圖7所示,蓋梁頂面整體效應(yīng)的最小水平壓應(yīng)力儲備約為3.2 MPa,最大壓應(yīng)力約為11 MPa,控制截面位于弧線倒角末端附近。同樣工況下,采用本文的桿系簡化模型,挑臂根部(位于立柱外側(cè))上緣最小壓應(yīng)力儲備為2.9 MPa,下緣最大壓應(yīng)力為10.1 MPa。計算結(jié)果說明,采用本文的簡化計算方法是基本可行的。
在前述成橋恒載工況的基礎(chǔ)上,施加3車道汽車偏載,進(jìn)一步研究此類大懸臂蓋梁的受力安全性。正應(yīng)力如圖8所示,最小壓應(yīng)力儲備為1.4 MPa。根據(jù)桿系計算結(jié)果,非線性溫度應(yīng)力約為2.0 MPa,實體模型結(jié)果計入非線性溫度影響后最大拉應(yīng)力為0.6 MPa,與桿系模型中短期組合挑臂根部上緣的0.6 MPa拉應(yīng)力一致。整體橋墩的主拉應(yīng)力如圖9所示,橋墩內(nèi)側(cè)圓弧存在1.9 MPa拉應(yīng)力集中,可通過加強(qiáng)內(nèi)側(cè)圓弧處的普通鋼筋解決。
圖7 蓋梁恒載正應(yīng)力(單位:Pa,以拉為正)
圖8 蓋梁恒載+汽車荷載正應(yīng)力(單位:Pa,以拉為正)
圖9 蓋梁恒載+汽車偏載主拉應(yīng)力(單位:Pa,以拉為正)
本文通過對一弧形大懸臂整體橋墩的計算分析,得出了此類橋墩的桿系簡化方法。計算結(jié)果表明,通過合理的設(shè)計計算,此類橋墩的受力能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。
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U443.2
B
1009-7716(2016)06-0115-02
2016-02-22
田周松(1984-),男,安徽安慶人,碩士,工程師,研究方向為橋梁設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析。